В 1831 году галерея пополнилась большим числом картин, завещанных коллекционером Холуэлл-Карром («Святой Георгий» Тинторетто, «Святое семейство» Тициана, «Святое семейство» Андреа дель Сарто, «Купающаяся в ручье женщина» Рембрандта). В 1831 году в галерее насчитывалось 105 картин.

Рост количества экспонатов вызвал необходимость в обеспечении соответствующего помещения. В 1831 году началась постройка здания по проекту архитектора Уильяма Уилкинса на северной стороне Трафальгарской площади. В 1838 галерея была торжественно открыта для публики.

В 1836 году был издан первый каталог всего собрания в двух томах, в которых были даны гравированные воспроизведения всех 114 картин с подробным описанием каждой из них.

В 1838 году по завещанию лорда Фарнборо галерея пополнилась такими картинами, как «Вечер» Рубенса, «Пейзаж с закатом солнца», «Водопой», «Телега, едущая на рынок» Гейнсборо, «Хлебное поле» Констебла.

В 1847 году Роберт Верон подарил галерее 156 картин английских художников. В 1851 после смерти Джозефа Маллорда Уильяма Тёрнера по завещанию художника в фонд музея перешло 300 его картин и 19 тысяч рисунков и акварелей. В 1857 приобретена коллекция Ломбарди-Бальди (картины Дуччо, Маргарито из Ареццо, Паоло Уччелло). В 1860 году был приобретены десять разрозненных панелей полиптиха хорватского художника падуанской школы Джорджо Скьявоне из церкви Святого Николая в Падуе.

В 1869 году галерея получила пять новых залов.

В 1874 году сэр Фредерик Уильям Бёртон получил назначение на пост директора Лондонской национальной галереи, сменив сэра Уильяма Боксолла. В июне 1874 года он получил специальный грант на приобретение художественной коллекции Александра Баркера, которая включала картины Пьеро делла Франчески и «Венеру и Марса» Боттичелли. В 1876 году галерея пополнилась 94 картинами от Уинна Эллиса — преимущественно произведениями голландских художников, а также работами Поллайоло, Дирка Баутса и Каналетто. В этом же году добавилась пристройка к галерее Барри в восточном крыле. В 1884 куплены «Мадонна Ансидеи» Рафаэля и «Конный портрет Карла I» Ван Дейка. Затем последовали «Послы» Ганса Гольбейна младшего и «Дон Адриан Пулидо Пареха» Диего Веласкеса (впоследствии приписана помощнику Веласкеса — Хуану Батиста Мартинесу дель Мазо).

В 2013 году годовой поток посетителей галереи впервые превысил 6 миллионов человек. В этот период её возглавлял Николас Пенни, при котором была проведена самая успешная выставка в истории музея — «Леонардо да Винчи, живописец при дворе в Милане», — а также ряд крупных выставок таких художников, как Веронезе, Рембрандт и др. В 2014 году Николас Пенни накануне своего 65-летия, после шести лет работы на должности директора Национальной галереи объявил, что покидает этот пост. По словам Марка Гетти, председателя совета попечителей галереи, Пенни «был чрезвычайно успешным директором… Под его руководством были приобретены, совместно с Национальной галереей Шотландии, два великих полотна Тициана — «Диана и Актеон» и «Диана и Каллисто».

В 2015 году на пост директора заступил 49-летний Габриэль Финальди. Британский гражданин, уроженец Лондона, он начал работать с Национальной галереей в 1995 году; под его кураторством здесь прошли выставки «Испанский натюрморт: от Веласкеса до Гойи» (1995), «Открытие итальянского барокко» (1997), «В поиске спасителя: образ Иисуса Христа» (2000) и др. С 2002 года Финальди работал в мадридском музее Прадо.